مقاومت چیست؟

مقاومت‌ها اصلی‌ترین قطعاتی هستند که در بردهای الکترونیکی از آن‌ها  استفاده می‌شود. این قطعات در عین سادگی نقش حیاتی را در مدار ایفا می‌کنند. انواع زیادی از این قطعه وجود دارند که مهندسان الکترونیک در طراحی مدارهای مختلف می‌توانند از آن‌ها استفاده کنند. این مقاومت‌ها شامل مقاومت‌های نصب‌شده روی سطح برد تا مقاومت‌های بزرگ صنعتی و قدرت (رئوستا) می‌شوند.

وظیفه اصلی این قطعه در مدار الکترونیکی  مقاومت کردن در برابر جریان است؛ به همین علت به آن مقاومت می‌گویند.

 

یکی دیگر از وظایف مقاومت، تنظیم شدت جریان الکترون‌ها (جریان)است؛ این عمل به‌وسیله ساختار داخلی مقاومت، که با مواد رسانا ساخته شده انجام می‌شود. مقاومت‌ها با دو ترکیب موازی و سری به هم متصل می‌شوند و شبکه‌های مقاومتی را می‌سازند. وظیفه این شبکه‌ها کم کردن ولتاژ، تقسیم ولتاژ و محدود کردن جریان در مدار است.

 

 

مقاومت‌ها عناصری تاثیرپذیر، انفعالی و تابع هستند؛ یعنی منبع تغذیه و تقویت‌کنندگی ندارند و فقط می‌توانند ولتاژ و جریانی را که از آن‌ها عبور می‌کند کم کنند. کم کردن جریان و ولتاژ توسط مقاومت‌ها باعث از بین رفتن انرژی الکتریکی می‌شود، که این اتلاف انرژی به صورت گرما در مقاومت ظاهر می‌شوند.

 

 

برای عبور جریان بین دو پایه مقاومت، به اختلاف پتانسیل نیاز داریم. اختلاف پتانسیل که به آن افت ولتاژ نیز می‌گویند، باعث تعادل اتلاف انرژی در مدار می‌شود. اختلاف پتانسیل در مدارهای DC زمانی اندازه‌گیری می‌شود که جریان بین ۲ پایه مقاومت در حال عبور است. به عبارت ساده‌تر برای اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل در مدارهای DC زمانی که جریان الکترون‌ها از مقاومت‌ عبور می‌کنند، ۲ پایه مقاومت را اندازه‌گیری می‌کنیم.

 

مقاومت‌ها انواع زیادی دارند که بیشتر آن‌ها المان‌های خطی هستند. طبق قانون اهم در صورت عبور جریان از مقاومت‌ها، ولتاژ ایجاد می‌شود. مقاومت‌ها بر حسب مقدار خود، جریان و ولتاژهای مختلفی ایجاد می‌کنند. به‌وسیله کنترل و کم کردن شدت جریان و ولتاژ در مدارها می‌توانیم مبدل‌های جریان به ولتاژ یا ولتاژ به جریان را بسازیم که در مدارهای الکترونیکی بسیار پرکاربرد هستند.

 

 

امروزه انواع مختلفی از مقاومت‌ها در اندازه‌ها، شکل‌ها و فرم‌های مختلف تولید شده‌اند که هر کدام از آن‌ها دقت، مشخصات و ویژگی‌های خاص خود را دارند و برای قسمت‌های خاصی از مدار مناسب هستند؛ مانند مقاومت‌های ولتاژ بالا، جریان بالا، ثبات بالا و توان بالا.

برخی از ویژگی‌های مقاومت‌های ساده و ابتدایی عبارت‌اند از: ضریب حرارتی، ضریب ولتاژ، نویز، پاسخ فرکانسی، مقاومت‌های قدرت، سایز و ابعاد. رایج‌ترین نماد مقاومت ساده در شماتیک‌ها و دیاگرام‌های مدارهای الکتریکی به شکل زیر است.

مقاومت‌های ثابت فقط یک مقدار مقاومت دارند، اما مقاومت‌های متغیر یا پتانسیومتری می‌توانند مقدار بی‌نهایتی از مقاومت را در اختیار افراد قرار دهند. (شکل ۱)

 

 

انواع مقاومت‌ها

همان‌طور که گفته شد مقاومت‌های ثابت و متغیر انواع زیادی دارند. امروزه همه مقاومت‌های ثابت به چهار دسته بزرگ تقسیم می‌شوند که در مقایسه با یکدیگر هر کدام از آن‌‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند. این چهار گروه عبارت‌اند از:

۱- مقاومت‌های ترکیب کربن: این مقاومت‌ها از خمیر گرافیت یا خاکستر کربن ساخته می‌شوند و توان کمی دارند.

۲- مقاومت‌های سرامیکی: این مقاومت‌ها از خمیر اکسید فلز رسانا ساخته می‌شوند و نسبت به مقاومت‌های کربنی مقاومت کمتری دارند.

۳-مقاومت‌های سیم‌پیچی‌شده (رئوستا): در این مقاومت‌ها، سیم‌ها دور یک فلز پیچیده می‌شود که به عنوان هیت‌سینک یا خنک‌کننده نیز عمل می‌کنند. این نوع مقاومت‌ها توان بسیار بالایی دارند.

۴- مقاومت‌های نیمه‌رسانا: این مقاومت‌ها فرکانس و دقت بالایی دارند و با تکنولوژی نصب سطحی (SMD) ساخته می‌شوند.

 

 

مقاومت‌های ترکیبی

رایج‌ترین نوع مقاومت‌های ترکیبی مقاومت‌های کربنی‌ هستند. این مقاومت‌ها ارزان‌ترین و پرمصرف‌ترین نوع مقاومت‌ها در مدارهای الکتریکی هستند. این المان مقاومتی از ترکیب خاکستر کربن پایه خالص یا گرافیت (نوک مداد) و پودر سرامیک نارسانا (خاک رس) ساخته شده است و نسبت خاکستر کربن به سرامیک (نسبت رسانا به نارسانا) در آن، نشان‌دهنده مقدار مقاومت این ترکیب است؛ به طوری که هرچه نسبت کربن بیشتر باشد، مقدار مقاومت کمتر است.

مقاومت‌های کربنی به صورت استوانه‌ای ساخته شده‌اند و برای برقراری اتصال الکتریکی در آن، ۲ پایه یا سیم فلزی به ۲ انتهای آن چسبیده شده است. برای علامت‌گذاری یا مشخص کردن مقدار مقاومت قطعه نیز یک یک ماده خارجی عایق روی مقاومت و نوارهای رنگی روی این لایه خارجی کشیده می‌شود.(شکل۴)

 

 

مقاومت‌های کربنی توان ضعیف و اندوکتانس (القاکنندگی) کمی دارند. این ویژگی باعث شده است تا برای استفاده در مدارهای فرکانس بالا ایده‌آل باشند. این مقاومت‌ها زمانی که داغ می‌شوند، ثبات خود را از دست می‌دهند و نفوذپذیرتر می‌شوند. مقاومت‌های کربنی معمولا با پیشوند (CR(CR10K مشخص می‌شوند؛ خطای آن‌ها در استانداردهای E6 حدود ۲۰٪ ، E12 حدود ۱۰٪ و در E24 حدود ۵٪ است و از  ۰/۲۵ وات تا ۵ وات موجود هستند.

استفاده از مقاومت‌های کربنی در بردهای الکترونیکی رایج است؛ زیرا تولید آن‌ها به‌صرفه‌تر است. از آن‌جا که درصد خطای این مقاومت‌ها به دلیل پروسه ساختی که دارند، زیاد است، بهتر است زمانی که به مقاومت‌هایی با دقت بالا نیاز است، از مقاومت‌های سرامیکی استفاده شود.

 

 

 

 

مقاومت‌های لایه‌ای یا سرامیکی (مقاومت‌های فیلمی)

مقاومت لایه‌ای، اهمی یا فیلمی شامل کربن و فیلم اکسید فلز است که از طریق پوشانده شدن یک لایه فلز خالص مانند نیکل، اکسید حلب یا اکسید قلع روی یک استوانه سرامیکی نارسانا ساخته می‌شود.

مقدار مقاومت این قطعه به‌وسیله افزایش یا کاهش ضخامت لایه فلز رسانا روی سرامیک نارسانا کنترل و تنظیم می‌شود؛ به همین علت به آن‌ مقاومت لایه‌ای ضخیم یا مقاومت‌های لایه‌ای نازک نیز گفته می‌شود. هرچه مقاومت لایه‌ای، نازکتر باشد مقاومت کمتری دارد و هر‌چه مقاومت لایه‌ای ضخیم‌تر باشد مقاومت آن بیشتر است.

پس از پوشانده شدن سرامیک توسط لایه فلزی، با استفاده از یک لیزر یک طرح رزوه مارپیچی دقیقی روی این لایه یا فیلم بریده می‌شود. این برش فیلم یا لایه، باعث افزایش یا کاهش رسانایی یا نارسایی می‌شود. مانند مارپیچ کردن یک سیم مستقیم که باعث افت رسانایی آن می‌شود.

سازندگان این قطعه می‌توانند درصد خطای کمتری (کمتر از یک درصد) نسبت به مقاومت‌های کربنی به دست آورند. درصد خطای مقاومت‌ها بین مقدار حقیقی مقاومت‌ها و مقدار ایده‌آل آن‌ها نیز متفاوت است. برای مثال ممکن است مقاومت ایده‌آل ۱۰۰ اهم باشد اما مقاومت حقیقی  ۱۰۳/۶ اهم باشد. اختلاف بین این مقاومت‌ها نیز با درصد بیان می‌شود. این قطعه معمولا مقاومت بیشتری نسبت به سایر مقاومت‌ها دارد. برای مثال ۱۰ مگا اهم. (شکل ۶)

 

 

 

مقاومت‌های لایه‌ای فلزی

مقاومت‌های لایه‌ای فلزی نسبت به مقاومت‌های کربنی ثبات دمایی بیشتر و نویز کمتری دارند. از این مقاومت‌ها معمولا برای فرکانس بالا یا فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌شود. مقاومت‌های اکسید فلزی توانایی بیشتری در تصحیح جهش ناگهانی جریان یا ولتاژ دارند و مشخصات دمایی آن‌ها نسبت به مقاومت‌های لایه‌ای فلزی بیشتر است.

مقاومت لایه‌ای دیگری که معمولا به نام مقاومت لایه ضخیم شناخته می‌شود از پوشانده شدن خمیر یا لایه رسانای کلفت‌تری از متال و سرامیک که به آن سرمت گفته می‌شود، روی آلیاژ سرامیک و آلومینیوم ساخته می‌شود. ویژگی‌های این مقاومت شبیه مقاومت‌های فیلمی است و از آن در قطعات SMD یا نصب سطحی برای فرکانس‌های بالا استفاده می‌شود. مقاومت‌های لایه‌ای فلزی ثبات دمایی بالایی دارند؛ نویز آن‌ها کم و هنگام جهش و نوسان ناگهانی آسیب‌پذیرتر است.

مقاومت‌های لایه‌ای فلزی با پیشوند MFR (برای مثال MFR100K) و مقاومت‌های لایه‌ای کربنی با پیشوند CF شناخته می‌شود.  در استانداردهای E24 حدود ۵٪ خطا و ۲٪ خطا E96 حدود ۱٪ خطا و E192 حدود ۰/۵٪ و ۰/۲۵٪ و ۰/۱٪ خطا از ۰/۰۵وات تا ۱/۲ وات وجود دارد؛‌ به همین علت نسبتا مقاومت‌های توان پایینی هستند.

 

 

مقاومت‌های سیم‌پیچ‌شده (رئوستا)

این نوع مقاومت‌ها مانند مقاومت‌های فیلمی از پیچیدن سیم نازک آلیاژ فلز نیکروم یا شبیه به آن روی سرامیک استوانه‌ای نارسانا که به صورت رزوه مارپیچی برش داده شده است تشکیل می‌شود. این مقاومت‌ها مقدار کم و بسیار دقیقی از ۰/۰۱ اهم تا ۱۰۰ کیلو اهم دارند که با چرخاندن رئوستا تغییر می‌کند. ویژگی خاصی که این مقاومت‌ها نسبت به مقاومت‌های دیگر دارند توانایی بالای تحمل جریان است که توان آن‌ها به بیشتر از ۳۰۰ وات نیز می‌رسد.

 این مقاومت به دلیل توان بالایی که دارد، برای افزایش سطح کلی آن معمولا با پرس شدن به یک هیت‌سینک آلومینیومی ساخته می‌شود و باعث بهتر شدن خنک‌کنندگی آن‌ها می‌شود. این مقاومت‌های مخصوص، مقاومت‌های نصب‌شده روی شاسی نیز نامیده می‌شوند؛ زیرا باید به صورت فیزیکی روی هیت‌سینک یا پایه‌های فلزی نصب شوند که سیستم خنک‌کنندگی بهتری داشته باشد و توانایی آن برای تحمل جریان بیشتر شود.

***

مقاومت‌های سیم‌پیچی‌شده قدرت یا صنعتی

مقاومت‌های سیم‌پیچی‌شده قدرت یا صنعتی یکی دیگر از انواع مقاومت‌ها هستند که مقاومت دمایی بالا دارند اما اثر القایی ‌ندارند. روی این مقاومت‌ها با لایه‌ای از شیشه یا لعاب اپوکسی پوشیده شده است که می‌توان از آن‌ها  به عنوان هیترهای کم‌توان یا کنترل سرعت موتورهای DC یا سروو استفاده کرد.

پیچیده شدن سیم‌های غیر‌القایی دور یک استوانه چینی یا سرامیکی که روی آن با میکا پوشیده شده است باعث حرکت نکردن سیم آلیاژ هنگام داغ شدن سیم‌ها می‌شود. این مقاومت‌های رئوستا در انواع مقدارها و توان‌ها قابل دسترس هستند.

 

مقاومت‌های سیم‌پیچی‌شده قدرت بیشتر در المنت‌های گرمایی (هیترهای الکتریکی) به کار می‌روند. جریان الکتریکی زمانی که از المنت‌ها عبور می‌کند، به گرما تبدیل می‌شود و این تبدیل انرژی باعث به وجود آمدن یک کیلووات انرژی می‌شود.

از آن‌جایی که سیم‌ها مانند یک سیم‌پیچ دور یک استوانه پیچیده می‌شوند، این قطعه علاوه بر ایجاد مقاومت، اثر القاگری نیز دارد.  این پدیده  با ایجاد فرکانس‌های بالا شیف فازی ایجاد می‌کند و بر رفتار مقاومت‌ها در مدارهای AC تاثیر می‌گذارد؛ به‌ویژه اگر مقدار مقاومت بالا باشد.

به مجموع اثر القاگری و مقاومتی امپدانس می‌گویند که واحد آن در مدارهای AC اهم و فرمول آن Z^2 = R^2 + X^2 است. زمانی که از این مقاومت‌ها در مدارهای AC استفاده می‌شود، با تغییر فرکانس مقدار القاگری آن‌ها نیز تغییر می‌کند. XL = 2πƒL

 

 

در مدارهای DC با افزایش فرکانس، راکتانس القایی یا واکنش القایی نیز بیشتر می‌شود و در فرکانس صفر، به صفر می‌رسد. بر این اساس نباید از مقاومت‌های متغیر سیم‌پیچ‌شده در تقویت‌کننده‌های AC استفاده کرد؛ زیرا فرکانس در حال تغییر است. برای این نوع تقویت‌کننده‌ها، مقاومت‌های سیم‌پیچی‌شده مخصوص غیر‌القایی وجود دارد که می‌توان از آن‌ها استفاده کرد.

مقاومت‌های متغیر سیم‌پیچ‌شده با پیشوند WH یا W  مشخص می‌شوند؛ مانند WH10Ω. این مقاومت‌ها با بسته‌بندی آلومینیومی و لعاب شیشه‌ای وجود دارند؛ علامت WH روی آن‌ها مشخص است و توان آن‌ها  از یک وات تا ۳۰۰ وات متغیر است. درصد خطای آن‌ها نیز در بسته‌بندی آلومینیومی ۱۰٪، ۵٪، ۲٪ و ۱٪  و در بسته‌بندی‌های لعاب شیشه‌ای  ۵٪، ۲٪ و ۱٪ است.

 

خلاصه‌ای در رابطه با انواع مقاومت‌ها

مقاومت‌ها انواع مختلفی دارند. برخی از آن‌ها مانند مقاومت‌های کربنی کم‌هزینه‌اند اما درصد خطای زیادی دارند؛ برخی دیگر نیز مانند مقاومت‌های دقیق فیلمی یا لایه‌ای هزینه زیادی دارند اما درصد خطای آن‌ها کم است. مقاومت‌های سرامیکی سیم‌پیچ‌شده نیز نسبت به سایر مقاومت‌ها توان بالایی دارند.

 

 

مقاومت‌ها علاوه بر اینکه می‌توانند شدت جریان عبوری از خود را تنظیم و کنترل کنند و آن را کاهش دهند، در مدارهای الکتریکی باعث افت ولتاژ نیز می‌شوند. مقاومت‌ها با واحد اهم اندازه‌گیری می‌شوند؛ ثابت و متغیر هستند و مقدار آن‌ها می‌تواند کمتر از یک اهم تا چندین میلیون اهم (مگا اهم) باشد. مقاومت ثابت مانند ۱۰۰ اهم  و مقاومت متغیر مانند صفر تا ۱۰۰ اهم‌.

واحد اندازه‌گیری همه مقاومت‌ها اهم است؛ مقدار یک مقاومت همیشه مثبت است و در طول زمان حتی اگر بدون تاثیر از فرکانس منبع DC باشد یا فرکانس بالایی داشته باشد، ثابت است.

 

مقاومت‌ها در مدارهای الکترونیکی کاربرد زیادی دارند؛ به طوری که در هر برد الکترونیکی چند مقاومت مختلف قرار می‌گیرد. از مقاومت‌ها معمولا برای محدود کردن جریان؛ تنظیم و محدود‌سازی پاسخ فرکانسی در مدارهای فیلترینگ؛ تامین ولتاژ کنترلی برای قطعات نیمه‌رسانا مانند ترانزیستورهای پیوند دوقطبی؛ محافظت از LED و قطعات نیمه‌رسانا مقابل ضربه دیدن از جریان بالا استفاده می‌شود.

از مقاومت‌ها به‌عنوان pull up یا pull down  در در پایه ورودی یک چیپ یا IC نیز استفاده می‌شود. از دو مقاومت سری که یک شبکه ولتاژی می‌سازند، برای کنترل کردن ولتاژ استفاده می‌شود. کاربردهای مقاومت بی‌شمار است؛ در مقاله بعد روش‌های تشخیص اهم انواع مقاومت‌ها را با استفاده از کدهای رنگی که روی آن‌ها مشخص شده است توضیح خواهیم داد.